(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極、第１の半導体層、光電変換層、第２の半導体層および第２の電極がこの順に積層された構造を有する光電変換素子と、
前記第２の半導体層上方のエネルギー変換層と、
を有し、
前記第１の半導体層は、一導電型を付与する不純物元素を有し、
前記第２の半導体層は、前記一導電型とは異なる導電型を付与する不純物元素を有し、
前記エネルギー変換層は、複数の第１の層と複数の第２の層とを有し、
前記第１の層と前記第２の層とは、交互に積層された構造を有し、
前記第１の層の厚さは、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、
前記第２の層の厚さは、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、
前記第１の層は、シリコンを有し、
前記第２の層は、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコンまたは酸化シリコンを有し、
前記第２の電極は、前記エネルギー変換層上方に設けられ、
前記第２の電極は、前記エネルギー変換層に設けられた開口を通して前記第２の半導体層と電気的に接続されていることを特徴とする光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
太陽電池等の光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池等の光電変換装置の研究開発が盛んに行われている。太陽光のスペクトルは短波長光（例えば、紫外光）から長波長光（例えば、赤外光）まで広く分布している。短波長光が有するエネルギーは、長波長光が有するエネルギーよりも大きいため、短波長光が有するエネルギーをより効率よく利用することができれば、太陽電池の変換効率を向上させることが可能である。
【０００３】
例えば波長変換層を用いて太陽電池の変換効率を向上させる試みがなされている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１４２７５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、光電変換層が有するエネルギーバンドギャップより大きいエネルギーを有する短波長光を吸収しても、光電変換層が有するエネルギーバンドギャップより大きい分のエネルギーは熱エネルギーとして放出され、太陽電池の電力として取り出すことができなかった。
【０００６】
そこで、光のエネルギーを有効に利用することができ、性能を向上させることが可能な新規な光電変換装置を提供することを課題のひとつとする。紫外光から短波長側の可視光が有するエネルギーを有効に利用することができる光電変換装置を提供することを課題のひとつとする。また、光電変換装置の性能を向上させることが可能な、光電変換装置用のエネルギー変換層を提供することを課題のひとつとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
光電変換素子と、光電変換素子が有する光電変換層の受光面側に位置するエネルギー変換層とを有する光電変換装置である。または、光電変換装置用のエネルギー変換層である。
【０００８】
エネルギー変換層は、複数の第１の層と複数の第２の層とを有し、第１の層と第２の層とが交互に積層された構造を有する。第１の層はそれぞれ、上下を第２の層で挟まれた構造を有している。エネルギー変換層の最上層及び最下層には、第２の層が設けられている。
【０００９】
複数の第１の層の厚さは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下で構成する。また、複数の第１の層は、それぞれ同じ厚さを有する構成、または、それぞれ異なる厚さを有する構成とすることができる。
【００１０】
複数の第２の層の厚さは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下で構成する。また、複数の第２の層は、それぞれ同じ厚さを有する構成、または、それぞれ異なる厚さを有する構成とすることができる。なお、エネルギー変換層の最上層及び最下層に設けられる第２の層の厚さは、１０ｎｍ以上としてもよい。
【００１１】
エネルギー変換層の総膜厚は、２０ｎｍ以上１０μｍ以下とすることができる。
【００１２】
上記において、第１の層は、光電変換層に用いられる材料と同じ材料を有する構成とすることができる。または、第１の層は、光電変換層に用いられる材料よりエネルギーバンドギャップの大きい材料を有する構成とすることができる。例えば、第１の層はシリコンを有する構成とすることができる。
【００１３】
上記において、第２の層は、第１の層に用いられる材料よりエネルギーバンドギャップの大きい材料を有する構成とすることができる。例えば、第２の層はシリコンと窒素とを含む化合物である窒化シリコン、窒化酸化シリコン（ＳｉＮｘＯｙ（ｘ＞ｙ＞０））、酸化窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞ｙ＞０））、またはシリコンと酸素とを含む化合物である酸化シリコンを有する構成とすることができる。
【００１４】
エネルギー変換層は、１個のフォトンから複数個のフォトンを生成する機能を有する。エネルギー変換層は、高いエネルギー（例えば、波長５５３ｎｍ以下、すなわち２．２４ｅＶ以上のエネルギー）を有する１個のフォトンから、それより低いエネルギー（例えば、波長５５３ｎｍを超え１１０７ｎｍ以下、すなわち１．１２ｅＶ以上２．２４ｅＶ未満のエネルギー）を有する複数個のフォトンを生成することができる。
【００１５】
エネルギー変換層は、量子井戸構造を有する構成とすることができ、多重量子井戸構造、あるいは複数の単一量子井戸構造を有する構成とすることができる。第１の層は量子井戸を形成する層として用いることができ、第２の層はエネルギー障壁を形成する層として用いることができる。量子井戸構造は、価電子帯、伝導帯付近の電子状態が１次元方向（例えば厚さ方向）に量子化され、エネルギー準位が離散化した状態を得ることができる構造である。
【００１６】
また、エネルギー変換層は、第１のユニットと第２のユニットとを有し、第１のユニットは、第１の厚さを有する複数の第１の層と第２の厚さを有する複数の第２の層とを有し、第１の層と第２の層とが交互に積層された構造を有し、第２のユニットは、第３の厚さを有する複数の第３の層と第４の厚さを有する複数の第４の層とを有し、第３の層と第４の層とが交互に積層された構造を有する構成とすることができる。また、第１のユニットと第２のユニットとの、２つのユニットに限らず、さらに複数のユニットを有する構成としてもよい。
【００１７】
上記において、第１の厚さ及び第３の厚さは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下で構成する。第２の厚さ及び第４の厚さは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下で構成する。上記において、少なくとも第１の厚さと第３の厚さとは異なるように設ける。
【００１８】
上記において、第１の層および第３の層は量子井戸を形成する層として用いることができ、第２の層および第４の層はエネルギー障壁を形成する層として用いることができる。第１の層および第３の層は、上記第１の層と同じ材料を用いることができる。例えば、第１の層および第３の層は、シリコンを有する構成とすることができる。第２の層および第４の層は、上記第２の層と同じ材料を用いることができる。例えば、第２の層および第４の層は、窒化シリコン、窒化酸化シリコン（ＳｉＮｘＯｙ（ｘ＞ｙ＞０））、酸化窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞ｙ＞０））または酸化シリコンを有する構成とすることができる。
【００１９】
また、エネルギー変換層は、量子細線構造を有する構成とすることができる。量子細線構造は、価電子帯、伝導帯付近の電子状態が２次元方向に量子化され、エネルギー準位が離散化した状態を得ることができる構造である。
【００２０】
この量子細線構造の場合、エネルギー変換層は、長手方向と短手方向とを有する複数の第１の層と、第２の層とを有し、複数の第１の層はそれぞれ、長手方向に垂直な断面において、周囲を第２の層で囲まれた構造を有している。また、長手方向と短手方向とを有する複数の第１の層は、厚さ方向（上下方向ともいう）および、短手方向に所定の間隔をおいて並んだ構造を有している。第２の層はエネルギー障壁を形成する層として用いられる。
【００２１】
複数の第１の層の厚さ方向における厚さは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下で構成する。複数の第１の層の短手方向における幅は、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下で構成する。厚さ方向における第１の層と第１の層との間隔は、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下で構成する。そして、短手方向における第１の層と第１の層との間隔は、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下で構成する。
【００２２】
厚さ方向（上下方向ともいう）に並んだ複数の第１の層は、それぞれ同じ厚さを有する構成、または、それぞれ異なる厚さを有する構成とすることができる。厚さ方向に並んだ複数の第１の層は、それぞれ、短手方向の幅が同じ幅を有する構成、または、それぞれ短手方向の幅が異なる幅を有する構成とすることができる。厚さ方向に並んだ複数の第１の層は、それぞれ同じ間隔を有する構成、または、それぞれ異なる間隔を有する構成とすることができる。
【００２３】
短手方向に並んだ複数の第１の層は、それぞれ同じ厚さを有する構成、または、それぞれ、異なる厚さを有する構成とすることができる。短手方向に並んだ複数の第１の層は、それぞれ、短手方向の幅が同じ幅を有する構成、または、それぞれ、短手方向の幅が異なる幅を有する構成とすることができる。短手方向に並んだ複数の第１の層は、それぞれ同じ間隔を有する構成、または、それぞれ異なる間隔を有する構成とすることができる。
【００２４】
上記において、第１の層は、光電変換層に用いられる材料と同じ材料を有する構成とすることができる。または、第１の層は、光電変換層に用いられる材料よりエネルギーバンドギャップの大きい材料を有する構成とすることができる。例えば、第１の層はシリコンを有する構成とすることができる。
【００２５】
上記において、第２の層は、第１の層に用いられる材料よりエネルギーバンドギャップの大きい材料を有する構成とすることができる。例えば、第２の層はシリコンと窒素とを含む化合物である窒化シリコン、窒化酸化シリコン（ＳｉＮｘＯｙ（ｘ＞ｙ＞０））、酸化窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞ｙ＞０））、またはシリコンと酸素とを含む化合物である酸化シリコンを有する構成とすることができる。
【００２６】
エネルギー変換層は、１個のフォトンから複数個のフォトンを生成する機能を有する。エネルギー変換層は、高いエネルギー（例えば、波長５５３ｎｍ以下、すなわち２．２４ｅＶ以上のエネルギー）を有する１個のフォトンから、それより低いエネルギー（例えば、波長５５３ｎｍを超え１１０７ｎｍ以下、すなわち１．１２ｅＶ以上２．２４ｅＶ未満のエネルギー）を有する複数個のフォトンを生成することができる。
【００２７】
また、エネルギー変換層は、量子ドット層を有する構成とすることができる。量子ドット層は、複数の量子ドットと、第１の層とを有し、複数の量子ドットは長手方向と短手方向と厚さ方向において、周囲を第１の層で囲まれた構造を有する。また、エネルギー変換層は、複数の量子ドット層が、積層された構成としてもよい。なおこの場合、量子ドット層に含まれる複数の量子ドットの平均直径が量子ドット層毎に異なることが好ましい。
【００２８】
上記において、複数の量子ドットの、平均直径はそれぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下で構成する。複数の量子ドットの長手方向の間隔は、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下で構成する。また、複数の量子ドットの短手方向の間隔は、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下で構成する。また、複数の量子ドットの厚さ方向の間隔は、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下で構成する。
【００２９】
上記において、複数の量子ドット及び第１の層は量子ドット層を形成し、第１の層はエネルギー障壁を形成する層として用いることができる。第１の層は、例えば、窒化シリコン、窒化酸化シリコン（ＳｉＮｘＯｙ（ｘ＞ｙ＞０））、酸化窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞ｙ＞０））または酸化シリコンを有する構成とすることができる。複数の量子ドットは、シリコンを有する構成とすることができる。
【００３０】
また、エネルギー変換層は、量子ドット構造を有する構成とすることができる。量子ドット構造は、価電子帯、伝導帯付近の電子状態が３次元方向に量子化され、エネルギー準位が離散化した状態を得ることができる構造である。
【００３１】
この量子ドット構造の場合、エネルギー変換層は、長手方向と短手方向と厚さ方向の各方向に配列された複数の量子ドットを有し、複数の量子ドットは、周囲を第１の層で囲まれた構造を有している。なお、複数の量子ドットは、長手方向に所定の間隔をおいて均一に配列され、短手方向に所定の間隔をおいて均一に配列され、厚さ方向に所定の間隔をおいて均一に配列された構造を有している。
【００３２】
上記において、複数の量子ドットは、光電変換層に用いられる材料と同じ材料を有する構成とすることができる。または、複数の量子ドットは、光電変換層に用いられる材料よりエネルギーバンドギャップの大きい材料を有する構成とすることができる。例えば、複数の量子ドットはシリコンを有する構成とすることができる。
【００３３】
上記において、第１の層は、複数の量子ドットに用いられる材料よりエネルギーバンドギャップの大きい材料を有する構成とすることができる。例えば、第１の層はシリコンと窒素とを含む化合物である窒化シリコン、窒化酸化シリコン（ＳｉＮｘＯｙ（ｘ＞ｙ＞０））、酸化窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞ｙ＞０））、またはシリコンと酸素とを含む化合物である酸化シリコンを有する構成とすることができる。
【００３４】
エネルギー変換層は、１個のフォトンから複数個のフォトンを生成する機能を有する。エネルギー変換層は、高いエネルギー（例えば、波長５５３ｎｍ以下、すなわち２．２４ｅＶ以上のエネルギー）を有する１個のフォトンから、それより低いエネルギー（例えば、波長５５３ｎｍを超え１１０７ｎｍ以下、すなわち１．１２ｅＶ以上２．２４ｅＶ未満のエネルギー）を有する複数個のフォトンを生成することができる。
【００３５】
上記において、光電変換素子とエネルギー変換層とを同じ基板に設けることができる。光電変換素子とエネルギー変換層とを同じ基板に設けることにより、光電変換素子とエネルギー変換層とを別の基板に設ける場合と比べて、光電変換装置を低コスト化、小型化、軽量化することができる。また、別基板に設けた際に生じうる基板による光学損失を低減することができる。
【発明の効果】
【００３６】
光のエネルギーを有効に利用することができ、変換効率等の性能を向上させることが可能な新規な光電変換装置を提供することができる。とりわけ紫外光から短波長側の可視光の分光感度、量子効率を高めることができ、短波長光のエネルギーを有効に利用することができる光電変換装置を提供することができる。また、光電変換装置の性能を向上させることが可能な、光電変換装置用のエネルギー変換層を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】光電変換装置の断面模式図の例およびエネルギー変換層の断面模式図の例。
【図２】エネルギー変換層の断面模式図の例およびエネルギー変換層のエネルギーバンド構造の例。
【図３】エネルギー変換層の断面模式図の例。
【図４】エネルギー変換層の斜視図の例。
【図５】光電変換装置の断面模式図の例。
【図６】エネルギー変換層の断面写真。
【図７】エネルギー変換層の斜視図の例。
【図８】エネルギー変換層の断面模式図の例。
【図９】エネルギー変換層の断面写真。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明の実施の形態および実施例について、図面を参照して以下に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されるものではない。本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解されるからである。したがって、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容のみに限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて本発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。
【００３９】
（実施の形態１）
本実施の形態は、開示する発明の一態様である光電変換装置の構成およびエネルギー変換層の構成の例について、図１、図２を参照して説明する。
【００４０】
図１（Ａ）には、光電変換装置の断面模式図の例を示す。光電変換装置は、光電変換素子２００と、エネルギー変換層１００とを有する。エネルギー変換層１００は、光電変換素子２００の受光面側に位置するように設けられている。入射光４００は、エネルギー変換層１００を通過して、光電変換素子２００が有する光電変換層２５３に入射する。
【００４１】
光電変換素子２００は、第１の電極２０６、光電変換層２５３および第２の電極２１８を有する。光電変換素子２００は、他に、一導電型を付与する不純物元素を含有する第１の半導体層２０８、および当該不純物元素とは異なる導電型を付与する不純物元素を含有する第２の半導体層２１４を有する。光電変換素子２００は、第１の電極２０６、第１の半導体層２０８、光電変換層２５３、第２の半導体層２１４、および第２の電極２１８がこの順で積層された構造を有している。
【００４２】
光電変換層２５３は、シリコンを有する構成とすることができる。例えば、光電変換層２５３の材料としては、結晶シリコン（単結晶シリコン、多結晶シリコン、微結晶シリコンなど）、または非晶質シリコンを用いることができる。または、結晶シリコンと非晶質シリコンとを含有する材料、あるいは、窒素又は炭素を含有するシリコン材料などを用いてもよい。
【００４３】
光電変換層２５３として半導体基板を用いる場合、第１の半導体層２０８、第２の半導体層２１４は、半導体基板に熱拡散、イオンドーピング法などにより導電型を付与する不純物元素を添加することで形成してよい。または、第１の半導体層２０８、第２の半導体層２１４は、ＰＥＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法またはスパッタ法を用いて、光電変換層２５３と異なる材料または結晶状態を有する材料を用いて形成してもよい。例えば、光電変換層２５３としてｐ型結晶シリコンウェハを用い、第２の半導体層２１４としてｎ型を付与するリンをドーピングしたｎ型結晶シリコンを用い、第１の半導体層２０８としてｐ型を付与するボロンあるいはアルミニウムをドーピングしたｐ型結晶シリコンを用いることができる。
【００４４】
第２の電極２１８は、光電変換素子２００の受光面積を広くし、かつ、電極の小面積化に伴う抵抗増加を補うように格子状または櫛状に形成される。
【００４５】
なお、図１（Ａ）中では図示していないが、エネルギー変換層１００と光電変換素子２００との間に光学反射を防止する材料（例えばシリコン樹脂、有機樹脂など）を有する構成としてもよい。その場合には、エネルギー変換層１００と光電変換素子２００との間の領域が光学反射を防止する材料で埋められる構造を有する。また、図１（Ａ）中では光電変換素子２００の各層を平坦に描いたが、第２の半導体層２１４と光電変換層２５３の受光面側、および第１の半導体層２０８と光電変換層２５３の裏面側の形状を凹凸にしたテクスチャー構造を設けてもよい。テクスチャー構造を設けることで、受光面側の反射率低減が可能となり、また、光電変換層２５３内での光閉じ込めが可能となる。それにより、光電流の増加、光電変換層２５３の薄膜化が可能となりコスト低減ができる。
【００４６】
図１（Ｂ）には、光電変換装置が有するエネルギー変換層１００を拡大した断面模式図の例を示す。エネルギー変換層１００は、複数の第１の層１０２と複数の第２の層１０３とを有し、第１の層１０２と第２の層１０３とが交互に積層された構造を有する。第１の層１０２はそれぞれ、上下を第２の層１０３で挟まれた構造を有している。
【００４７】
複数の第１の層１０２の厚さは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。複数の第１の層１０２は、それぞれ同じ厚さを有する構成、または、複数の第１の層１０２は、それぞれ異なる厚さを有する構成とすることができる。
【００４８】
複数の第２の層１０３の厚さは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。複数の第２の層１０３は、それぞれ同じ厚さを有する構成、または、複数の第２の層１０３は、それぞれ異なる厚さを有する構成とすることができる。また、エネルギー変換層１００の最上層および最下層に設けられる第２の層１０３の厚さは、１０ｎｍ以上としてもよい。
【００４９】
エネルギー変換層１００の総膜厚は、２０ｎｍ以上１０μｍ以下とすることができる。
【００５０】
第１の層１０２は、光電変換層２５３に用いられる材料と同じ材料を有する構成とすることができる。あるいは、第１の層１０２は、光電変換層２５３に用いられる材料よりエネルギーバンドギャップの大きい材料を有する構成とすることができる。例えば、第１の層１０２はシリコン（結晶シリコンまたは非晶質シリコン）で構成することができる。
【００５１】
第２の層１０３は、第１の層１０２に用いられる材料よりエネルギーバンドギャップの大きい材料を有する構成とすることができる。例えば、第２の層１０３は、窒化シリコン、窒化酸化シリコン（ＳｉＮｘＯｙ（ｘ＞ｙ＞０））、酸化窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞ｙ＞０））または酸化シリコンで構成することができる。
【００５２】
エネルギー変換層１００は、光電変換素子２００と異なる基板上、または、光電変換素子２００が設けられる基板と同じ基板に設けることができる。エネルギー変換層１００は、ＰＥＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ−Ｂｅａｍ−Ｅｐｉｔａｘｙ）法、蒸着法、スパッタ法等を用いて形成することができる。エネルギー変換層１００は、最下層に第２の層１０３を形成し、その後、第２の層１０３上に第１の層１０２を厚さ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下となるように形成し、第１の層１０２上に第２の層１０３を厚さ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下となるように形成する。その後、更に第２の層１０３上に第１の層１０２、第２の層１０３を交互に形成し、最上層に第２の層１０３を形成することで作製することができる。例えば、第１の層１０２にシリコン、第２の層１０３に酸化シリコンを用いて、第１の層１０２の膜厚は、１ｎｍ以上３ｎｍ以下、第２の層１０３の膜厚は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下となるように形成することが好ましい。なお、好ましい第１の層１０２の膜厚と第２の層１０３の膜厚は、それぞれ用いる材料、エネルギーバンドギャップなどにより異なる。また、第１の層１０２または第２の層１０３の形成前に、被形成面にプラズマ処理等の表面処理を施してもよい。表面処理の雰囲気はＮ２Ｏ、Ｎ２、Ａｒ、Ｏ２等を用いることができる。
【００５３】
また、図１中には図示していないが、エネルギー変換層１００に入射される光の量を増やすために、第２の層１０３の最上層の受光面側に第２の層１０３の屈折率と空気の屈折率の間の屈折率を持つ材料を単層または複数層で設けてもよい。これにより、エネルギー変換層１００の表面の反射率を低減することができる。
【００５４】
図２（Ａ）には、光電変換装置が有するエネルギー変換層１００を拡大した断面模式図の例を示す。ここでは、エネルギー変換層１００の厚さ方向（図に示すｚ方向）を横方向に示している。図２（Ａ）では、エネルギー変換層１００は、第１の層１０２を４層、第２の層１０３を５層、合計９層有する例を示している。もちろん第１の層１０２と第２の層１０３の積層回数はこの例に限定されるものではなく、積層回数２０回以上、好ましくは積層回数５０回以上としてもよい。第１の層１０２と第２の層１０３とは交互に積層されている。図２（Ａ）において、入射光４００は、エネルギー変換層１００の左側から入射されている。
【００５５】
図２（Ｂ）には、エネルギー変換層１００のエネルギーバンド構造の例を示す。縦軸はエネルギー、横軸はエネルギー変換層１００の厚さを示している。
【００５６】
第２の層１０３における伝導帯下端のエネルギーをＥｃｂで示し、価電子帯上端のエネルギーをＥｖｂで示す。第１の層１０２における伝導帯下端のエネルギーをＥｃｗで示し、価電子帯上端のエネルギーをＥｖｗで示す。第２の層１０３における材料固有のエネルギーバンドギャップはＥｇ１０３であり、第１の層１０２における材料固有のエネルギーバンドギャップはＥｇ１０２である。第１の層１０２のエネルギーバンドギャップＥｇ１０２は、第２の層１０３のエネルギーバンドギャップＥｇ１０３より小さい。
【００５７】
図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、エネルギー変換層１００は、エネルギーバンドギャップＥｇ１０２の小さい薄膜（例えば、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有する膜）状の第１の層１０２を、エネルギーバンドギャップＥｇ１０３の大きい薄膜（例えば、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有する膜）状の第２の層１０３で挟んだ構造を有している。すなわち、エネルギー変換層１００は、量子井戸構造を有している。第１の層１０２は量子井戸を形成する層（量子井戸層ともいう）であり、量子井戸内の電子のエネルギー準位は離散化され、サブバンドと呼ばれるエネルギー状態（例えば、Ｅｅ１、Ｅｅ２、Ｅｅ３、Ｅｈ１、Ｅｈ２、Ｅｈ３、Ｅｈ４）（ミニバンドともいう）に分かれている。第２の層１０３はエネルギー障壁を形成する層（エネルギー障壁層ともいう）である。
【００５８】
量子井戸構造は、価電子帯、伝導帯付近の電子状態が１次元方向（例えば厚さ方向（図に示すｚ方向））に量子化されてエネルギー準位が離散化した状態を得ることができる構造である。ここでは、サブバンドがＥｅ１〜Ｅｅ３、Ｅｈ１〜Ｅｈ４に分かれている例を示したが、これに限定されるものではない。サブバンドの数やエネルギー準位の位置は、量子井戸構造を構成する量子井戸層およびエネルギー障壁層のサイズや材料、および量子井戸層とエネルギー障壁層の積層回数、量子井戸層とエネルギー障壁層の層構造の周期性によって変えることができる。単一の量子井戸層の厚さとエネルギー障壁層の厚さの和を十分に薄くし、均一に整列させることで、多重量子井戸構造になりサブバンドが形成される。量子井戸層の厚さが薄いことで量子井戸内の電子状態が量子化され、エネルギー準位が離散化し、エネルギー障壁層の厚さが薄いことで隣り合う量子井戸内の電子状態が互いに干渉する。この各量子井戸内の電子状態が互いに干渉し合う範囲が、量子井戸層とエネルギー障壁層の積層回数を多くすることで広がり、量子井戸内の離散化したエネルギー準位がサブバンドとして形成される。サブバンドが形成されることで、各サブバンド間を光学遷移する光の波長の自由度が増し、エネルギー変換層内で光吸収される確率を高めることができる。多重量子井戸構造を用いることでよりエネルギー変換層の効果を高め、光のエネルギーを有効に利用することが可能となる。エネルギー障壁層の厚さが厚い場合、サブバンドは形成されず、各量子井戸は単一量子井戸の量子効果のみにより離散化されたエネルギー準位が形成されるにとどまる。従って、離散化されたエネルギー準位間の光学遷移は特定の波長を持つ光に限定され、エネルギー変換層の効果が得にくくなる。この場合は、各量子井戸層の厚さを各々変えることで、各量子井戸内のエネルギー準位を各々変化させ、エネルギー変換層内で光吸収される確率を高めてもよい。
【００５９】
図２（Ｃ）には、エネルギー変換層１００のエネルギーバンド構造、および入射光４００の振る舞いを示す。入射光４００として、例えば太陽光、または、蛍光灯等の照明器具から発せられる光が用いられる。入射光４００が太陽光の場合には、短波長光（例えば、紫外光）から長波長光（例えば、赤外光）まで幅広い波長の光が含まれている。また、図２（Ｃ）には、サブバンドＥｅ１〜Ｅｅ３、Ｅｈ１〜Ｅｈ４を図示していないが、図２（Ｂ）に示したエネルギーバンド構造と図２（Ｃ）のエネルギーバンド構造は同じものであるから、図２（Ｂ）で示したサブバンドＥｅ１〜Ｅｅ３、Ｅｈ１〜Ｅｈ４の記号を用いて説明する。
【００６０】
入射光４００に含まれる光のうち短波長光のフォトン４０１は、エネルギーバンドギャップＥｇ１０２より高いエネルギー（実際にはサブバンドＥｅ１の下端とサブバンドＥｈ１の上端のエネルギー差における量子井戸層のバンドギャップより高いエネルギー）を有するため、エネルギー変換層１００の第１の層１０２において光吸収され電子励起が起きる。励起された電子は、元の準位に戻る過程で、光学遷移の選択則が緩いため、該選択則に縛られずに間に存在するサブバンドを経由する確率を持っている。このとき、複数のフォトンが生成される確率は、励起された電子が元の準位に戻る過程で、経由したエネルギー準位間の数により定まる。
【００６１】
例えば、フォトン４０１は、サブバンドＥｅ３とサブバンドＥｈ３間における差分のエネルギーを有するため、エネルギー変換層１００の第１の層１０２において、サブバンドＥｈ３にある電子をサブバンドＥｅ３に励起する。励起された電子は、元のサブバンドＥｈ３に戻る過程で、例えば、間に存在するサブバンドＥｅ１を経由する。このとき、サブバンドＥｅ３からサブバンドＥｅ１に電子が遷移する過程でサブバンドＥｅ３とサブバンドＥｅ１間における差分のエネルギーを有するフォトン４０２が生成される。さらに、サブバンドＥｅ１からサブバンドＥｈ３に電子が遷移すると、その過程でサブバンドＥｅ１とサブバンドＥｈ３間における差分のエネルギーを有するフォトン４０３が生成される。このように、エネルギー変換層１００により、１個のフォトン４０１から複数個（ここでは２個）のフォトン４０２、フォトン４０３が生成される。なお、生成されるフォトン４０２、生成されるフォトン４０３が有するエネルギーは、元のフォトン４０１が有するサブバンドＥｅ３とＥｈ３間差のエネルギーよりも小さく、サブバンドＥｅ３とサブバンドＥｅ１間差のエネルギー、サブバンドＥｅ１とサブバンドＥｈ３間差のエネルギーをそれぞれ持つ。元のフォトン４０１が有するエネルギー自体は保存されるため、生成される複数個のフォトン（フォトン４０２、フォトン４０３）が有するエネルギーの和は、元のフォトン４０１が有するエネルギーと同じ、または途中で熱エネルギー損失などが生じることにより元のフォトン４０１が有するエネルギーよりも小さくなる。したがって、生成される複数個のフォトン（フォトン４０２、フォトン４０３）の波長は、元のフォトン４０１の波長よりも長波長となる。ここでは、サブバンドＥｈ３にある電子をサブバンドＥｅ３に励起する例を示したが、これに限定されない。他のサブバンドにある電子がサブバンドＥｅ３に励起されてもよく、また、励起先のサブバンドがサブバンドＥｅ３でなくてもよい。
【００６２】
一方、入射光４００に含まれる光のうち、バンドギャップＥｇ１０３より低いエネルギーを有し、且つ、バンドギャップＥｇ１０２より低いエネルギー（実際にはサブバンドＥｅ１の下端とサブバンドＥｈ１の上端のエネルギー差における量子井戸層のバンドギャップより低いエネルギー）を有する長波長光のフォトン４０４は、エネルギー変換層１００において光吸収されることなく、エネルギー変換層１００をそのまま通過する。このため長波長光は、光吸収の損失なく、エネルギー変換層の下層に位置する光電変換層へ到達することができる。
【００６３】
上記のとおり、エネルギー変換層１００は、１個のフォトンから複数個のフォトンを生成する機能を有する。特に、エネルギー変換層１００は、紫外光から短波長側の可視光で高いエネルギー（例えば、波長５５３ｎｍ以下、２．２４ｅＶ以上のエネルギー）を有する１個のフォトンから、それより低いエネルギー（例えば、波長５５３ｎｍを超え１１０７ｎｍ以下、１．１２ｅＶ以上２．２４ｅＶ未満のエネルギー）を有する複数個のフォトンを生成することが可能である。これにより、紫外光から短波長側の可視光など短波長光の量子効率を高めることができ、短波長光のエネルギーを有効に利用することができる光電変換装置、および光電変換装置用のエネルギー変換層を提供することができる。
【００６４】
本実施の形態によれば、光のエネルギーを有効に利用することができ、変換効率等の性能を向上させることが可能な新規な光電変換装置を提供することができる。また、光電変換装置の性能を向上させることが可能な、光電変換装置用のエネルギー変換層を提供することができる。
【００６５】
（実施の形態２）
本実施の形態は、開示する発明の一態様である光電変換装置用のエネルギー変換層の構成の例について、図３を参照して説明する。
【００６６】
図３には、光電変換装置に用いるエネルギー変換層１００を拡大した断面模式図の例を示す。エネルギー変換層１００は、第１のユニット１０４と第２のユニット１０５とを有し、第１のユニット１０４は、第１の厚さを有する複数の第１の層１０２ａと、第２の厚さを有する複数の第２の層１０３ａとを有し、第１の層１０２ａと第２の層１０３ａとが交互に積層された構造を有する。第２のユニット１０５は、第３の厚さを有する複数の第３の層１０２ｂと、第４の厚さを有する複数の第４の層１０３ｂとを有し、第３の層１０２ｂと第４の層１０３ｂとが交互に積層された構造を有する。複数の第１の層１０２ａはそれぞれ上下を第２の層１０３ａで挟まれ、また、複数の第３の層１０２ｂはそれぞれ上下を第４の層１０３ｂで挟まれた構造を有する。また、図３中には図示していないが、エネルギー変換層１００に入射される光の反射率損失を下げるために、第１のユニット１０４の最上層である第２の層１０３ａの受光面側に第２の層１０３ａの屈折率と空気の屈折率の間の屈折率を持つ材料を単層または複数層設けてもよい。
【００６７】
量子井戸層を形成する第１の層１０２ａの厚さ（第１の厚さ）および第３の層１０２ｂの厚さ（第３の厚さ）は、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。第１の厚さと第３の厚さとは異なるように設ける。また、エネルギー障壁層を形成する第２の層１０３ａの厚さ（第２の厚さ）および第４の層１０３ｂの厚さ（第４の厚さ）は、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。第２の厚さと第４の厚さとは異なるように設けてもよいし、同じ厚さで設けてもよい。
【００６８】
エネルギー変換層１００の総膜厚は、２０ｎｍ以上１０μｍ以下とすることができる。
【００６９】
第１の層１０２ａまたは第３の層１０２ｂは、光電変換層に用いられる材料と同じ材料を有する構成とすることができる。または、第１の層１０２ａまたは第３の層１０２ｂは、光電変換層に用いられる材料よりエネルギーバンドギャップの大きい材料を有する構成とすることができる。例えば、実施の形態１で説明した第１の層１０２と同じ材料を第１の層１０２ａ、および第３の層１０２ｂも用いることができる。
【００７０】
第２の層１０３ａ、第４の層１０３ｂは、それぞれ第１の層１０２ａ、第３の層１０２ｂに用いられる材料よりエネルギーバンドギャップの大きい材料を有する構成とすることができる。例えば、実施の形態１で説明した第２の層１０３と同じ材料を第２の層１０３ａ、および第４の層１０３ｂも用いることができる。
【００７１】
第１の厚さを有する第１の層１０２ａが複数設けられた第１のユニット１０４と、第２の厚さを有する第３の層１０２ｂが複数設けられた第２のユニット１０５とを有する構成とすることにより、量子井戸層におけるサブバンド構造の構成が異なるユニットを複数形成することが可能となる。これにより、短波長光で高エネルギーを持った１個のフォトンより長波長光の複数個のフォトンを生成する確率を高めることができる。単一のユニットで構成した際、図２（Ｂ）で示したように、多重量子井戸構造により、例えば、サブバンドＥｅ１〜Ｅｅ３、Ｅｈ１〜Ｅｈ４が形成される。このサブバンドが形成されることで、各サブバンド間を光学遷移する光の波長の自由度が増し、エネルギー変換層内で光吸収される確率を高めることができる。しかし、エネルギー変換層でエネルギーを変換する光の波長範囲は、各サブバンド間のエネルギー近辺の波長範囲に限られる。それゆえ、異なるサブバンドの構成を持つユニットを複数個設けて、よりエネルギー変換層内で光吸収される確率を高め、光の波長範囲を広げることで、エネルギー変換層内で短波長光の高エネルギーを持った１個のフォトンより長波長光で低エネルギーの複数個のフォトンを生成する効果をより高めることが可能となる。
【００７２】
本実施の形態に示したエネルギー変換層１００を、図１（Ａ）に示すような光電変換素子２００と組み合わせて用いることができる。また、ここで説明した第１のユニット１０４と第２のユニット１０５との２つのユニット限らず、さらに複数のユニットを有する構成としてもよい。
【００７３】
本実施の形態によれば、光のエネルギーをより有効に利用することができ、変換効率等の性能を向上させることが可能な新規な光電変換装置を提供することができる。本実施の形態によれば、紫外光から短波長側の可視光で高いエネルギーを持つ光を有効に利用することが可能な光電変換装置を提供することができる。また、光電変換装置の性能を向上させることが可能な、光電変換装置用のエネルギー変換層を提供することができる。
【００７４】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【００７５】
（実施の形態３）
本実施の形態は、開示する発明の一態様である光電変換装置用のエネルギー変換層の構成の例について、図４を参照して説明する。
【００７６】
図４には、エネルギー変換層１００の斜視図の例を示す。
【００７７】
エネルギー変換層１００は、長手方向（図４に示すｙ方向）と短手方向（図４に示すｘ方向）とを有する複数の第１の層１１２と、第２の層１１３とを有し、複数の第１の層１１２はそれぞれ、短手方向における断面において、周囲を第２の層１１３で囲まれた構造を有している。長手方向と短手方向とを有する複数の第１の層１１２は、厚さ方向（上下方向ともいう）（図に示すｚ方向）に所定の間隔をおいて並んだ構造を有している。また、長手方向と短手方向とを有する第１の層１１２は、短手方向に所定の間隔をおいて並んだ構造を有している。第１の層１１２は量子細線を形成する層として用いられる。第２の層１１３はエネルギー障壁を形成する層として用いられる。
【００７８】
複数の第１の層１１２の厚さ方向（ｚ方向）における厚さは、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。複数の第１の層１１２の短手方向（ｘ方向）における幅は、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。厚さ方向（ｚ方向）における第１の層１１２と第１の層１１２との間隔は、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。短手方向（ｘ方向）における第１の層１１２と第１の層１１２との間隔は、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
【００７９】
厚さ方向（ｚ方向）に並んだ複数の第１の層１１２は、それぞれ同じ厚さを有する構成、または、それぞれ異なる厚さを有する構成とすることができる。厚さ方向（ｚ方向）に並んだ複数の第１の層１１２は、それぞれ、短手方向（ｘ方向）の幅が同じ幅を有する構成、または、それぞれ短手方向（ｘ方向）の幅が異なる幅を有する構成とすることができる。厚さ方向（ｚ方向）に並んだ複数の第１の層１１２は、それぞれ同じ間隔を有する構成、または、それぞれ異なる間隔を有する構成とすることができる。
【００８０】
短手方向（ｘ方向）に並んだ複数の第１の層１１２は、それぞれ同じ厚さを有する構成、または、それぞれ、異なる厚さを有する構成とすることができる。短手方向（ｘ方向）に並んだ複数の第１の層１１２は、それぞれ、短手方向（ｘ方向）の幅が同じ幅を有する構成、または、それぞれ、短手方向（ｘ方向）の幅が異なる幅を有する構成とすることができる。短手方向（ｘ方向）に並んだ複数の第１の層１１２は、それぞれ同じ間隔を有する構成、または、それぞれ異なる間隔を有する構成とすることができる。
【００８１】
第１の層１１２は、光電変換層に用いられる材料と同じ材料を有する構成とすることができる。または、第１の層１１２は、光電変換層に用いられる材料よりエネルギーバンドギャップの大きい材料を有する構成とすることができる。例えば、実施の形態１で説明した第１の層１０２と同じ材料を用いることができる。
【００８２】
第２の層１１３は、第１の層１１２に用いられる材料よりエネルギーバンドギャップの大きい材料を有する構成とすることができる。例えば、実施の形態１で説明した第２の層１０３と同じ材料を用いることができる。
【００８３】
上記構成を有するエネルギー変換層１００は、入射光４００が厚さ方向（ｚ方向）から照射されるように設けることができる。または、入射光４００が短手方向（ｘ方向）から照射されるように設けることができる。ここでは、入射光４００が厚さ方向のひとつである下方向へ照射されている。
【００８４】
上記構成を有するエネルギー変換層１００は、量子細線構造を有する。量子細線構造は、価電子帯、伝導帯付近の電子状態が２次元方向に量子化されてエネルギー準位が離散化した状態を得ることができる構造である。
【００８５】
上記構成を有するエネルギー変換層１００は、１個のフォトンから複数個のフォトンを生成する機能を有する。特に、エネルギー変換層１００は、紫外光から短波長側の可視光で高いエネルギーを有する１個のフォトンから、それより低いエネルギーを有する複数個のフォトンを生成することが可能である。これにより、紫外光から短波長側の可視光など短波長光の量子効率を高めることができ、短波長光のエネルギーを有効に利用することができる光電変換装置、および光電変換装置用のエネルギー変換層を提供することができる。１個のフォトンから、複数個のフォトンを生成する機構については、図２（Ｂ）、２（Ｃ）で説明した機構と同様である。量子細線構造は、図２（Ｂ）で示した離散化したサブバンド構造をｚ方向以外に、ｘ方向にも有することができ、エネルギー変換層として効果的である。
【００８６】
図４では示していないが、エネルギー変換層１００は、厚さ方向（ｚ方向）に並んだ複数の第１の厚さを有する第１の層と、当該第１の層を囲むように設けられた第２の層とを有する第１のユニットと、厚さ方向（ｚ方向）に並んだ複数の第２の厚さを有する第３の層と、当該第３の層を囲むように設けられた第４の層とを有する第２のユニットと、を有する構成とすることができる。第１の厚さと第２の厚さとは異なるように設けることができる。この場合、第１のユニットにおける厚さ方向（ｚ方向）に並んだ複数の第１の層間の間隔は、第２のユニットにおける厚さ方向（ｚ方向）に並んだ複数の第３の層間の間隔と異なるように設けてもよいし、同じ間隔で設けてもよい。また、第１のユニットと第２のユニットとの２つのユニット限らず、さらに複数のユニットを有する構成としてもよい。
【００８７】
本実施の形態に示したエネルギー変換層１００を、図１に示したような光電変換素子２００と組み合わせて用いることができる。
【００８８】
本実施の形態によれば、光のエネルギーを有効に利用することができ、変換効率等の性能を向上させることが可能な新規な光電変換装置を提供することができる。また、光電変換装置の性能を向上させることが可能な、光電変換装置用のエネルギー変換層を提供することができる。
【００８９】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【００９０】
（実施の形態４）
本実施の形態は、開示する発明の一態様である光電変換装置の構成の例について、図５を参照して説明する。図５には、光電変換素子とエネルギー変換層とを同じ基板に設けた例を示す。
【００９１】
図５には、光電変換装置の断面模式図の例を示す。光電変換装置は、光電変換素子２００と、エネルギー変換層１００とを有し、光電変換素子２００と、エネルギー変換層１００とが積層された構造を有している。エネルギー変換層１００は、光電変換素子２００が有する光電変換層２５３の受光面側に位置するように設けられている。入射光４００は、エネルギー変換層１００を通過して、光電変換素子２００が有する光電変換層２５３に入射される。
【００９２】
エネルギー変換層１００は、実施の形態１、２、３で説明した構成を用いることができる。また、図５中には図示していないが、エネルギー変換層１００に入射される光の反射率損失を下げるために、エネルギー変換層１００の受光面側に第２の層１０３の屈折率と空気の屈折率の間の屈折率を持つ材料を単層または複数層設けてもよい。
【００９３】
光電変換素子２００は、第１の電極２０６、光電変換層２５３および第２の電極２１８を有する。光電変換素子２００は、他に、一導電型を付与する不純物元素を有する第１の半導体層２０８、および当該不純物元素とは異なる導電型を付与する不純物元素を有する第２の半導体層２１４を有する構成とすることができる。光電変換素子２００は、第１の電極２０６、第１の半導体層２０８、光電変換層２５３、第２の半導体層２１４、第２の電極２１８がこの順で積層された構造を有している。光電変換層２５３として半導体基板を用いる場合、第１の半導体層２０８、第２の半導体層２１４は、半導体基板に熱拡散、イオンドーピング法などにより導電型を付与する不純物元素を添加することで形成してもよい。または、第１の半導体層２０８、第２の半導体層２１４は、光電変換層２５３と異なる材料または結晶状態を有する材料を用いて形成してもよい。例えば、実施の形態１で説明した光電変換層２５３、第１の半導体層２０８、第２の半導体層２１４と同じ構成で形成することができる。
【００９４】
また、図５中では、光電変換素子２００の各層を平坦に描いたが、第２の半導体層２１４と光電変換層２５３の受光面側、および第１の半導体層２０８と光電変換層２５３の裏面側の形状を凹凸にしたテクスチャー構造を設けてもよい。テクスチャー構造を設けることで、受光面側の反射率低減が可能となり、また、光電変換層２５３内での光閉じ込めが可能となる。それにより、光電流の増加、光電変換層２５３の薄膜化が可能となりコスト低減ができる。
【００９５】
光電変換素子２００が有する第２の半導体層２１４上にエネルギー変換層１００が設けられている。そして、エネルギー変換層１００上に第２の電極２１８が設けられている。第２の電極２１８は、エネルギー変換層１００に設けられた開口を通して第２の半導体層２１４に電気的に接続する構成を有している。
【００９６】
本実施の形態によれば、エネルギー変換層１００を直接、光電変換素子２００上に設けて一体とすること、すなわち光電変換素子２００とエネルギー変換層１００とを同じ基板に設けることにより、エネルギー変換層１００を別の基板に設ける場合と比べて、光電変換装置を低コスト化、小型化または軽量化することができる。また、エネルギー変換層と光電変換層の間の光学損失を低減することができる。
【００９７】
本実施の形態によれば、光のエネルギーを有効に利用することができ、変換効率等の性能を向上させることが可能な新規な光電変換装置を提供することができる。本実施の形態によれば、紫外光から短波長側の可視光など短波長光のエネルギーを有効に利用することができる光電変換装置を提供することができる。また、光電変換装置の性能を向上させることが可能な、光電変換装置用のエネルギー変換層を提供することができる。
【００９８】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【００９９】
（実施の形態５）
本実施の形態は、開示する発明の一態様である光電変換装置用のエネルギー変換層の構成の例について、図７を参照して説明する。
【０１００】
図７には、エネルギー変換層１００の斜視図の例を示す。
【０１０１】
エネルギー変換層１００は、複数の量子ドット１１４と、第１の層１１５とを有し、複数の量子ドット１１４は長手方向（図７に示すｙ方向）と短手方向（図７に示すｘ方向）と厚さ方向（図７に示すｚ方向）において、周囲を第１の層１１５で囲まれた構造を有している。量子ドットとは、直径が数ナノメートル程度と小さい半導体のナノ粒子の事である。ナノ粒子が、十分に厚くて高いエネルギー障壁層で３次元的に囲まれている場合、量子ドットとなる。複数の量子ドット１１４は、長手方向（図７に示すｙ方向）と短手方向（図７に示すｘ方向）と厚さ方向（図７に示すｚ方向）に均一に配列されている。第１の層１１５は、エネルギー障壁を形成する層として用いられる。複数の量子ドット１１４と、第１の層１１５とを有するエネルギー変換層１００は、量子ドット層を形成している。
【０１０２】
複数の量子ドット１１４の、平均直径はそれぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。複数の量子ドット１１４の長手方向（図７に示すｙ方向）の間隔は、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。また、複数の量子ドット１１４の短手方向（図７に示すｘ方向）の間隔は、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。また、複数の量子ドット１１４の厚さ方向（図７に示すｚ方向）の間隔は、それぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
【０１０３】
量子ドット層における長手方向、短手方向、厚さ方向、の各方向に配列された複数の量子ドット１１４の直径は、ばらつきが少ない事が好ましい。複数の量子ドット１１４の直径間のばらつきは、５０％以下であることが好ましい。直径間のばらつきが少なく、均一性にすぐれた量子ドット１１４を各方向に配列することで、光のエネルギーをより有効に利用することができ、変換効率等の性能を向上させることが可能な新規な光電変換装置を提供することができる。なお、量子ドット１１４は、周期的に配列されていてもよい。量子ドット１１４を３次元的に周期配列させることで、量子ドット１１４間に電子的結合が起こり、サブバンドが形成される。サブバンド間の光学遷移や複雑な吸収過程を利用することで、変換効率を高めることができる。
【０１０４】
量子ドット１１４を構成する材料としては、シリコンを用いることができる。また、光電変換層に用いられる材料と同じ材料、又は光電変換層に用いられる材料よりエネルギーバンドギャップの大きい材料を有する構成とすることができる。例えば、実施の形態１で説明した第１の層１０２と同じ材料を用いることができる。
【０１０５】
第１の層１１５を構成する材料としては、窒化シリコン、窒化酸化シリコン（ＳｉＮｘＯｙ（ｘ＞ｙ＞０））、酸化窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞ｙ＞０））または酸化シリコンを用いることができる。第１の層１１５は、量子ドット１１４に用いられる材料よりエネルギーバンドギャップの大きい材料を有する構成とすることができる。例えば、実施の形態１で説明した第２の層１０３と同じ材料を用いることができる。
【０１０６】
上記構成を有するエネルギー変換層１００は、入射光４００が厚さ方向（ｚ方向）から照射されるように設けることができる。または、入射光４００が短手方向（ｘ方向）から照射されるように設けることができる。ここでは、入射光４００が厚さ方向のひとつである下方向へ照射されている。
【０１０７】
上記構成を有するエネルギー変換層１００は、量子ドット層を有する。量子ドット層は、価電子帯、伝導帯付近の電子状態が３次元方向に量子化されてエネルギー準位が離散化した状態を得ることができる構造である。
【０１０８】
上記構成を有するエネルギー変換層１００は、１個のフォトンから複数個のフォトンを生成する機能を有する。特に、エネルギー変換層１００は、紫外光から短波長側の可視光で高いエネルギーを有する１個のフォトンから、それより低いエネルギーを有する複数個のフォトンを生成することが可能である。これにより、紫外光から短波長側の可視光など短波長光の量子効率を高めることができ、短波長光のエネルギーを有効に利用することができる光電変換装置、および光電変換装置用のエネルギー変換層を提供することができる。１個のフォトンから、複数個のフォトンを生成する機構については、図２（Ｂ）、２（Ｃ）で説明した機構と同様である。量子ドット構造は、図２（Ｂ）で示した離散化したサブバンド構造をｚ方向以外に、ｘ方向にもｙ方向にも有することができ、エネルギー変換層として効果的である。
【０１０９】
なお、図８に示すように、エネルギー変換層１００は、複数の量子ドット層が積層された構成を有していてもよい。量子ドット層５００は、複数の量子ドット１１６と、第１の層１１９とを有し、複数の量子ドット１１６は３次元方向において周囲を第１の層１１９で囲まれた構造を有している。量子ドット層５１０は、複数の量子ドット１１７と、第２の層１２０とを有し、複数の量子ドット１１７は３次元方向において周囲を第２の層１２０で囲まれた構造を有している。量子ドット層５２０は、複数の量子ドット１１８と、第３の層１２１とを有し、複数の量子ドット１１８は３次元方向において周囲を第３の層１２１で囲まれた構造を有している。
【０１１０】
この場合、複数の量子ドット層に含まれる複数の量子ドットの平均直径、あるいは間隔が量子ドット層毎に異なる方が好ましい。量子ドット層５００に含まれる量子ドット１１６、量子ドット層５１０に含まれる量子ドット１１７、量子ドット層５２０に含まれる量子ドット１１８の、平均直径はそれぞれ０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲で構成される。例えば、量子ドット層５００に含まれる量子ドット１１６の、平均直径はそれぞれ約１．０ｎｍである。例えば、量子ドット層５１０に含まれる量子ドット１１７の、平均直径はそれぞれ約２．０ｎｍである。例えば、量子ドット層５２０に含まれる量子ドット１１８の、平均直径はそれぞれ約３．０ｎｍである。各量子ドット層５００、５１０、５２０において量子ドットの直径は、ばらつきが少ない事が好ましい。量子ドット層５００に含まれる複数の量子ドット１１６の直径間のばらつき、及び量子ドット層５１０に含まれる複数の量子ドット１１７の直径間のばらつき、及び量子ドット層５２０に含まれる複数の量子ドット１１８の直径間のばらつきは、５０％以下であることが好ましい。
【０１１１】
各量子ドット層に含まれる量子ドットの平均直径を変えることで、吸収する光の波長を制御できる、所謂量子サイズ効果を利用することができるため、紫外光から短波長側の可視光など短波長光の量子効率を高めることができ、短波長光のエネルギーを有効に利用することができる光電変換装置、および光電変換装置用のエネルギー変換層を提供することができる。なお、量子ドット１１６、量子ドット１１７、量子ドット１１８は、周期的に配列されていてもよい。
【０１１２】
量子ドット１１６を構成する材料としては、シリコンを用いることができる。量子ドット１１７を構成する材料としては、シリコンを用いることができる。量子ドット１１８を構成する材料としては、シリコンを用いることができる。量子ドット１１６、１１７、１１８には光電変換層に用いられる材料と同じ材料、又は光電変換層に用いられる材料よりエネルギーバンドギャップの大きい材料を有する構成とすることができる。
【０１１３】
第１の層１１９は、量子ドット１１６に用いられる材料よりエネルギーバンドギャップの大きい材料を有する構成とすることができる。具体的には、窒化シリコン、窒化酸化シリコン（ＳｉＮｘＯｙ（ｘ＞ｙ＞０））、酸化窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞ｙ＞０））または酸化シリコンを用いることができる。第２の層１２０は、量子ドット１１７に用いられる材料よりエネルギーバンドギャップの大きい材料を有する構成とすることができる。具体的には、窒化シリコン、窒化酸化シリコン（ＳｉＮｘＯｙ（ｘ＞ｙ＞０））、酸化窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞ｙ＞０））または酸化シリコンを用いることができる。第３の層１２１は、量子ドット１１８に用いられる材料よりエネルギーバンドギャップの大きい材料を有する構成とすることができる。具体的には、窒化シリコン、窒化酸化シリコン（ＳｉＮｘＯｙ（ｘ＞ｙ＞０））、酸化窒化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞ｙ＞０））または酸化シリコンを用いることができる。
【０１１４】
本実施の形態に示したエネルギー変換層１００を、図１に示したような光電変換素子２００と組み合わせて用いることができる。
【０１１５】
本実施の形態によれば、光のエネルギーを有効に利用することができ、変換効率等の性能を向上させることが可能な新規な光電変換装置を提供することができる。また、光電変換装置の性能を向上させることが可能な、光電変換装置用のエネルギー変換層を提供することができる。
【０１１６】
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【実施例１】
【０１１７】
本実施例では、図１（Ｂ）に示したエネルギー変換層１００を作製し、その断面を観察した。
【０１１８】
基板としてガラス基板を準備した。ガラス基板上に、プラズマＣＶＤ法により第２の層７０３として厚さ６．５ｎｍの窒化シリコン（ＳｉＮｘ（ｘ＞０））を形成した。
【０１１９】
次に、第２の層７０３上に、プラズマＣＶＤ法により第１の層７０２として厚さ３ｎｍのシリコンを形成し、第１の層７０２上に第２の層７０３として厚さ６．５ｎｍの窒化シリコン（ＳｉＮｘ（ｘ＞０））を形成し、それを２０回繰り返すことで量子井戸構造を有するエネルギー変換層を形成した。第１の層７０２のシリコンは、モノシラン（ＳｉＨ４）ガスと水素（Ｈ２）ガスを原料として用い、原料ガスの質量流量比をＳｉＨ４：Ｈ２＝８：４００としてプラズマＣＶＤ法により形成した。第１の層７０２のシリコンを形成するプラズマ励起の条件は、高周波電力１５Ｗ（周波数６０ＭＨｚ）、成膜温度（基板温度）３００℃、処理室内圧力１００Ｐａ、電極間隔２０ｍｍとした。他方、第２の層７０３の窒化シリコン（ＳｉＮｘ（ｘ＞０））は、モノシラン（ＳｉＨ４）ガスとアンモニア（ＮＨ３）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスを原料として用い、原料ガスの質量流量比をＳｉＨ４：ＮＨ３：Ａｒ＝５：４００：５０としてプラズマＣＶＤ法により形成した。第２の層７０３の窒化シリコン（ＳｉＮｘ（ｘ＞０））を形成するプラズマ励起の条件は、高周波電力５００Ｗ（周波数２７ＭＨｚ）、成膜温度（基板温度）３００℃、処理室内圧力３０Ｐａ、電極間隔２０ｍｍとした。
【０１２０】
作製したエネルギー変換層の断面写真を図６に示す。図６から、厚さ３ｎｍ程度のシリコンからなる第１の層７０２と、厚さ６．５ｎｍ程度の窒化シリコンからなる第２の層７０３とが交互に積層された構造が観察された。
【実施例２】
【０１２１】
本実施例では、図７に示したエネルギー変換層１００を作製し、その断面を観察した。
【０１２２】
基板として準備したガラス基板上に、プラズマＣＶＤ法により厚さ５ｎｍシリコンを成膜した。量子ドットは、シリコンを成膜する初期過程での島状成長により形成した。次に、プラズマＣＶＤ法により第１の層として、厚さ５ｎｍに相当する窒化シリコン（ＳｉＮｘ（ｘ＞０））を形成し、Ｎ２Ｏプラズマ処理１分を施した。該工程を２０回繰り返すことで量子ドット構造を有するエネルギー変換層を形成した。量子ドットであるシリコンは、モノシラン（ＳｉＨ４）ガスと水素（Ｈ２）ガスを原料として用い、原料ガスの質量流量比をＳｉＨ４：Ｈ２＝８：４００としてプラズマＣＶＤ法により形成した。量子ドットのシリコンを形成するプラズマ励起の条件は、高周波電力１５Ｗ（周波数６０ＭＨｚ）、成膜温度（基板温度）３００℃、処理室内圧力１００Ｐａ、電極間隔２０ｍｍとした。他方、第１の層である窒化シリコン（ＳｉＮｘ（ｘ＞０））は、モノシラン（ＳｉＨ４）ガスとアンモニア（ＮＨ３）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスを原料として用い、原料ガスの質量流量比をＳｉＨ４：ＮＨ３：Ａｒ＝５：４００：５０としてプラズマＣＶＤ法により形成した。第１の層の窒化シリコン（ＳｉＮｘ（ｘ＞０））を形成するプラズマ励起の条件は、高周波電力５００Ｗ（周波数２７ＭＨｚ）、成膜温度（基板温度）３００℃、処理室内圧力３０Ｐａ、電極間隔２０ｍｍとした。また、窒化シリコン形成後に施したＮ２Ｏプラズマ処理条件は、Ｎ２Ｏガス流量を４００ｓｃｃｍ、高周波電力３００Ｗ（周波数２７ＭＨｚ）、基板温度３００℃、処理室内圧力６０Ｐａ、電極間隔３０ｍｍとした。
【０１２３】
作製したエネルギー変換層の断面写真を図９に示す。図９から、単結晶シリコンの（１１１）面に該当する格子間隔０．３１ｎｍ程度で、直径約７ｎｍの量子ドットが観察された。
【符号の説明】
【０１２４】
１００    エネルギー変換層
１０２    第１の層
１０２ａ    第１の層
１０２ｂ    第３の層
１０３    第２の層
１０３ａ    第２の層
１０３ｂ    第４の層
１０４    ユニット
１０５    ユニット
１１２    第１の層
１１３    第２の層
１１４    量子ドット
１１５    第１の層
１１６    量子ドット
１１７    量子ドット
１１８    量子ドット
１１９    第１の層
１２０    第２の層
１２１    第３の層
２００    光電変換素子
２０６    第１の電極
２０８    第１の半導体層
２１４    第２の半導体層
２１８    第２の電極
２５３    光電変換層
４００    入射光
４０１    フォトン
４０２    フォトン
４０３    フォトン
４０４    フォトン
５００    量子ドット層
５１０    量子ドット層
５２０    量子ドット層
７０２    第１の層
７０３    第２の層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図６】
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【図９】
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